FR2463500A1 - Dispositif pour l'accord electronique d'un magnetron de puissance - Google Patents

Abstract

DISPOSITIF D'ACCORD POUR MAGNETRON DE PUISSANCE APTE A RENDRE DISPONIBLE EN SORTIE UNE PUISSANCE DE PIC PRESQUE CONSTANTE SUR TOUT LE CHAMP D'ACCORD. IL COMPREND UN PREMIER COUPLEUR DIRECTIF AD AVEC DES PORTES 1 ET 2 CONNECTEES AUX MOYENS DE COUPLAGE I ET A UNE TERMINAISON REACTIVE TR ET UN DEUXIEME COUPLE DE PORTES 3 ET 4 CONNECTEES AU COUPLE DE PORTES 3 ET 4 D'UN DEUXIEME COUPLEUR DIRECTIF AD A TRAVERS UN DEPHASEUR NON RECIPROQUE SNR, LE DEUXIEME COUPLE DE PORTES 1 ET 2 DU DEUXIEME COUPLEUR DIRECTIF AD ETANT COUPLE A UNE DEUXIEME ET A UNE TROISIEME TERMINAISON REACTIVE TR ET TR, LE DEPHASEUR NON RECIPROQUE SNR INTRODUISANT POUR CHAQUE ONDE DES VARIATIONS DE PHASE OPPOSEES.

Description

La présente invention est relative à un dispositif pour

l'accord électronique d'un magnétron de puissance, du type utili-

sant comme éléments d'accord une ferrite partiellement magnétisée.

L'accord électronique d'un magnétron s'obtient en agissant sur la fréquence de résonance de la structure d'interaction et, dans ce but, il requiert la présence d'éléments réactifs, contrôlables

électroniquement, incorporés dans des cavités résonantes auxi-

liaires connectées à l'anode du magnétron au moyen d'une ouverture

(iris) et incorporés éventuellement dans la même cavité stabili-

satrice dans le cas d'un magnétron coaxial.

Parmi les systèmes d'accord connus possibles, ceux qui utilisent des ferrites partiellement magnétisées se sont révélés compétitifs en ce qui concerne soit la bande d'accord, soit la

vitesse d'actionnement et la fiabilité.

Un dispositif d'accord connu, du type que l'on vient d'indiquer, calque une méthode d'accord mécanique prévoyant la

présence d'une (ou de plusieurs) ligne court-circuitée, de lon-

gueur variable, couplée à la structure résonante du magnétron.

Dans le cas de l'accord électronique à ferrite, la ligne est constituée essentiellement par un "déphaseur à couple de modes", court-circuité à l'une de ses extrémités et connecté à une deuxième sortie, placée dans une direction diamétralement opposée par rapport à la direction principale du magnétron. Ce dispositif utilise deux éléments de ferrite placés dans un guide d'onde circulaire ou carré: le premier, à magnétisation fixe, est destiné à transformer la polarisation linéaire du champ à l'entrée d'une polarisation circulaire (polarisateur non réciproque); le deuxième, à magnétisation variable, a pour but de varier la vitesse de phase de l'onde polarisée circulairement. Le dispositif

d'accord devient le siège d'une onde stationnaire polarisée circu-

lairement dont la longueur d'onde est fonction de la magnétisa-

tion de la ferrite: l'onde stationnaire, en s'accouplant à l'iris, donne lieu à un effet réactif variable, dépendant des variations de la magnétisation. Ledit effet réactif variable est utilisé pour modifier la fréquence de résonance du magnétron

qui peut être variée dans une bande de l'ordre de 1 %.

Dans un dispositif d'accord du type décrit on enregistre comme inconvénient une dépendance marquée de l'efficacité du circuit des conditions d'accord: l'efficacité varie d'une valeur maxima au centre de la bande d'accord à des valeurs inférieures aux extrémités. Dans le cas de magnétrons pulsés ces variations

d'efficacité du circuit se traduisent par une variation indési-

rable de l'amplitude des impulsions produites en rapport avec la valeur que présente la fréquence d'accord. En outre le dispositif

d'accord décrit ci-dessus ne peut pas être appliqué à des magné-

trons aptes à produire des puissances particulièrement élevées car les dimensions transversales du guide d'onde doivent être

suffisamment réduites pour éviter l'excitation de modes supé-

rieurs, ce qui a comme conséquence le fait que la ferrite

travaille sous l'effet de champs magnétiques intenses à micro-

ondes (comme cela est connu, l'intensité du champ magnétique à microondes ne peut pas être augmentée à volonté à cause de

l'apparition d'ondes de spin instables).

Le but de la présente invention est la réalisation d'un dispositif d'accord pour magnétron de puissance apte à rendre disponible en sortie une puissance de pic presque constante sur tout le champ d'accord. Un autre but c'est d7e permettre l'accord de magnétrons aptes à produire des puissances particulièrement élevées. Dans ce but le dispositif d'accord suivant l'invention comprend: - un tronçon de guide d'onde contenant au moins un élément de ferrite partiellement magnétisée, - des moyens aptes à varier la magnétisation de la ferrite, - des moyens aptes à accoupler au magnétron de puissance une extrémité du guide d'onde et - au moins une terminaison réactive placée à l'autre

extrémité dudit guide d'onde.

Le dispositif d'accord est conformé de façon à devenir le siège de deux ondes circulant dans des directions opposées et à faire en sorte que la magnétisation de la ferrite provoque dans ces dernières des variations de longueur d'onde de signe opposé. D'autres caractéristiques de l'invention seront plus

claires à la lecture de la description suivante relative à un

exemple non limitatif de réalisation et accompagnée des figures cijointes dans lesquelles: - la figure 1 montre le schéma de principe d'une première forme de réalisation du dispositif d'accord réalisé suivant l'invention; - la figure 2 montre les modalités suivant lesquelles les ondes électromagnétiques se propagent dans le dispositif de la figure 1; la figure 3 montre un exemple de réalisation du dispositif d'accord de la figure 1; - la figure 4 montre le schéma de principe d'une deuxième forme de réalisation du dispositif d'accord réalisé suivant l'invention;

- la figure 5 montre un exemple de réalisation du dispo-

sitif d'accord de la figure 4.

Dans la figure 1 on a illustré le schéma de principe d'une première forme de réalisation du dispositif d'accord qui prévoit la présence d'un premier coupleur directif AD1 à 3db à la première porte 1 duquel parvient, à travers un premier tronçon de guide d'onde gl, l'onde polarisée linéairement excitée par la

cavité anodique du magnétron au moyen de l'iris de couplage i.

La moitié de la puissance incidente à la porte 1 de l'unité AD1

est transmise à la porte 3 et l'autre moitié à la porte 4 auxquel-

les est connecté, au moyen de tronçons de guides d'onde g2 et g3,

un premier, et respectivement un deuxième, déphaseur non réci-

proque SNR1 et SNR2 identiques et orientés d'une manière opposée.

L'autre extrémité des déphaseurs est connectée, au moyen des

tronçonsde guides d'onde g4 et g5, aux portes 3', et respective-

ment 4', d'un deuxième coupleur directif AD2 à 3db dont le deuxième couple de portes 1' et 2' est connecté respectivement aux terminaisons réactives TR1 et TR2. Une troisième terminaison réactive TR3 est connectée à la porte 2 du premier coupleur

directif AD1.

On attire l'attention sur le fait que a) puisque les déphaseurs SNR1 et SNR2 sont identiques, orientés dans des directions opposées et pilotés par le même

signal, ils se trouvent, dans n'importe quelle condition de fonc-

tionnement, dans le même état de magnétisation; l'onde qui traverse SNR1 dans la direction 3-3' et celle qui traverse SNR2 dans la direction 4' - 4 subissent toutes les deux un déphasage 51' tandis que l'onde qui trav*erse l'unité SNR dans la direction 3'-3 et celle qui traverse l'unité SNR2 dans la direction 4-4'

subissent toutes les deux un déphasage 52 différent de s1.

b) les guides g1, g2, g3, g4, g5 comprennent les

éléments d'adaptation des déphaseurs.

c) le dispositif d'accord est le siège de deux ondes circulant dans des directions opposées, qui sont excitées par la cavité anodique du magnétron et qui influent sur la fréquence

de résonance de ladite cavité anodique. Dans les schémas simpli-

ficateurs de la figure 2a et de la figure 2b les parcours de ces deux ondes ont été tracés séparément l'un de l'autre pour davantage de clarté. Comme la caractéristique des coupleurs directifs AD consiste dans le fait que la puissance incidente à une porte (par exemple 1) est partagée entre les deux portes opposées (par exemple 3 et 4), l'onde excitée par le magnétron sur l'entrée i se divise dans le premier coupleur directif AD1

excitant les deux ondes stationnaires. Une onde qui est consti-

tuée par la superposition de deux ondes qui sont mises en évidence dans la figure 2a et dans la figure 2b est renvoyée au magnétron par la porte 1 du coupleur directif AD1. Si l'on se refère à ce qui a été dit précédemment au point a) sur le comportement des déphaseurs non réciproques SNR1 et SNR2 on peut constater que l'onde circulant dans le sens des aiguilles d'une montre (figure 2a) subit un déphasage égal à la somme de 2 s1, et d'une valeur constante, dépendant de la présence de tous les

éléments du circuit à micro-ondes à l'exception des déphaseurs.

L'onde circulant dans le sens inverse à celui des aiguilles d'une montre (figure 2b) subit un déphasage, égal à la somme de 2 s2 et de la valeur constante indiquée ci-dessus. L'onde réfléchie dans la cavité anodique est donnée par conséquent par la superposition de deux ondes dont les phases dépendent de la magnétisation. L'onde résultant de la superposition, a une amplitude qui (si l'on néglige les pertes du circuit) est égale à celle de l'onde incidente provenant du magnétron et une phase qui varie avec la magnétisation: le dispositif d'accord équivaut par conséquent à une charge réactive de valeur variable qui, étant couplée à la cavité du magnétron, en modifie la fréquence de résonance.

La figure 3 montre une forme de réalisation du dispo-

sitif d'accord dont le schéma de principe est illustré dans la figure 1. Cette forme de réalisation prévoit la présence de deux tronçons de guide d'onde rectangulaires S1 et S2 placés côte à côte et présentant une paroi en commun. A l'une des extrémités de l'un desdits tronçons S1 de guide d'onde est situé l'iris i de couplage à la cavité anodique C du magnétron tandis qu'à la hauteur de la même extrémité 'de l'autre tronçon S2 on a prévu la terminaison réactive TR3. Dans la paroi commune desdits tronçons S1 et S2 on a pratiqué deux ouvertures aptes à réaliser lesdits coupleurs directionnels AD et AD2. Lesdits coupleurs peuvent être réalisés de toute façon de différentes autres manières, bien connues des techniciens spécialisés dans cette branche. A l'intérieur des tronçons S1 et S2 on a introduit

deux éléments toriques de ferrite, f et f2' magnétisés transver-

salement, ayant des valeurs de magnétisation variables dans un champ compris entre zéro et la saturation, par action d'un courant qui passe dans les conducteurs de commande cl et c2; les éléments de ferrite f et f2 sont adaptés au guide au moyen des éléments d'adaptation a,, a2, a3 et a4. La forme des éléments de ferrite f, des éléments d'adaptation a et les modalités de pilotage sont celles qui sont adoptées habituellement pour la réalisation des déphaseurs non réciproques à ferrite (voir Skolnik: "Radar

Hanbook", Mc Graw Hill Book Co., 1970, chap. 12).

A la hauteur de la deuxième extrémité desdits tronçons S1 et S2 sont prévues les terminaisons réactives TR1 et TR2 qui

ont été illustrées dans la figure comme des terminaisons réac-

tives inégales. On a remarqué que si l'on rend inégales lesdites terminaisons, par exemple en décalant la position des parois métalliques terminales, il est possible de minimiser les varia-

tions de l'efficacité du magnétron lorsque varient les condi-

tions d'accord.

Dans la figure 4 on a illustré le schéma de principe d'une deuxième forme de réalisation du dispositif d'accord, o la partie d'élément comprise entre les plans P et P

3,4 3,1

est telle que l'axe Z constitue pour celle-ci un axe de symétrie rotative de 9Q0. Autrement dit le dispositif d'accord doit présenter une forme (par exemple circulaire) telle qu'une fois

qu'elle a subi une rotation de 900 on retrouve le système même.

On a en outre indiqué par 1 l'iris de couplage entre

la structure anodique et l'élément d'accord tandis qu'on a indi-

qué par 2 un tronçon de guide d'onde rempli, complètement ou en partie, de ferrite magnétisée longitudinalement, avec valeur de magnétisation variable dans un champ compris entre zéro et la valeur de saturation, par l'action d'un courant qui traverse le bobinage 3. On a indiqué par 4 une terminaison réactive qui peut être pourvue du type de symétrie indiqué cidessus (terminaison symétrique) ou qui peut ne pas en être pourvue (terminaison asymétrique). On a en outre indiqué par 5 et par 6 deux sections de transmission aptes à adapter le tronçon de guide d'onde contenant de la ferrite aux tronçons de guide d'onde situés en amont et, respectivement en aval. L'iris de couplage 1 entre la structure anodique et l'élément d'accord excite le mode dominant avec le champ électrique perpendiculaire à l'axe

de l'iris; ce mode est transmis dans le système.

Si l'on se réfère à un guide d'onde circulaire on remarque que le tronçon de guide qui précède immédiatement le plan P3,4 et le tronçon de guide qui suit immédiatement le plan

P3,,4g ont des dimensions telles qu'ils ne permettent la propa-

gation que du mode dominant TE et qu'ils ont une longueur

suffisante pour pouvoir admettre que sur les sections transver-

sales correspondant auxdits plans le champ ait la structure du mode TEl et qu'il soit pratiquement exempt des distorsions provoquées par le voisinage de l'iris ou par la partie finale de la terminaison. Comme le mode TEil est appauvri lesdites coupes transversales équivalent à deux portes, l'une pour le mode TEil (Y) (polarisé linéairement avec le champ électrique orienté suivant l'axe y) et l'autre pour le mode TE11 (x) (polarisé

linéairement avec le champ électrique orienté suivant l'axe x).

L'iris est conformé de façon à coupler la structure anodique avec le mode TE (Y) mais pas avec le mode TE (X) -il il à la suite de quoi une onde de ce dernier type provenant de droite et frappant l'iris est complètement renvoyés; la terminaison réactive renvoie complètement les deux modes avec la même phase dans le cas symétrique, avec une phase différente dans

le cas plus général de dissymétrie.

Comme le mode TEil a une périodicité azimutale égale à 360 , le mode excité dans les transitions et dans le guide avec ferrite a la même périodicité. En outre, à cause de la symétrie

du système, même le mode excité dans les transitions sera double-

ment appauvri et dans ces dernières pourront se propager un mode polarisé linéairement suivant y et un mode polarisé linéairement suivant x. Comme alternative à be dernier couple de modes il est possible de considérer dans les transitions un couple de modes tournant dans le sens contraire à celui des aiguilles d'une montre et, respectivement, dans le sens des aiguilles d'une montre par rapport à l'axe Z, obtenus par superposition des modes polarisés linéairement, pris avec une amplitude identique

et déphasés entre eux de + 900. Lorsqu'on examine le fonctionne-

ment de l'élément d'accord en question il est opportun de consi-

déter les modes dans les transitions comme des modes tournants,

étant donné qu'ils sont étroitement liés aux modes qui se propa-

gent dans le guide avec ferrite, lesquels, comme cela est bien

connu, sont des modes tournants. Si l'on y pense bien, la trans-

formation entre le couple de modes polarisés linéairement et le couple de modes tournant en sens contraire, à la hauteur des

coupes transversales P34, P31, 41 équivaut à un coupleur direc-

tif à 3db, analoque à AD1 et AD2 dans la figure 1. Le tronçon de ferrite 2 équivaut par contre aux déphaseurs SNR de la figure 1,

dans l'hypothèse o dans SNR1 se propageraient des ondes tour-

nant en sens inverse à celui des aiguilles d'une montre et o dans SNR2 se propageraient les ondes tournant dans le sens des aiguilles d'une montre par rapport au sens de propagation. Par conséquent le principe de fonctionnement de cette deuxième forme de réalisation se réfère parfaitement au schéma de principe de la figure 1. Dans le tronçon de guide d'onde 2 on excite deux modes

tournant en sens contraire qui ont une constante de phase diffé-

rente et dépendant de la valeur de la magnétisation-. Le mode qui tourne en sens inverse à celui des aiguilles d'une montre par rapport au sens de la magnétisation dudit élément de ferrite 2, a, en effet, une constante de phase plus grande par rapport à la constante de phase que possède le mode tournant dans le sens

des aiguilles d'une montre par rapport audit sens de la magnéti-

sation. En outre cette différence dans la constante de phase est d'autant plus élevée que la magnétisation de la ferrite est plus

élevée, et elle se réduit à zéro en cas de démagnétisation com-

plète. Les deux ondes polarisées circulairement traversent la deuxième transition et frappent la terminaison réactive qui,

en cas de terminaison symétrique, les renvoie de manière iden-

tique. Il se crée par conséquent deux ondes stationnaires de

type tournant qui ont une constante de phase différente.

L'analogie entre le dispositif d'accord illustré dans

la figure 1 et celui que l'on vient d'examiner est donc évidente.

En effet dans le cas précédent ladite réactance variable est obtenue en modifiant la longueur d'onde des deux modes circulant

en sens opposé, tandis que le dispositif que l'on vient d'exami-

ner prévoit, dans le but d'obtenir ladite réactance variable, la modification de la longueur d'onde de deux modes tournant en sens contraire. Employer une terminaison réactive asymétrique, cela équivaut à rendre dissymétriques les terminaisons TR1 et TR2. Dans le projet de ce dispositif d'accord, dans l'hypothèse o la terminaison serait de type symétrique, il est possible de faire en sorte que l'une des deux ondes tournantes, dans un point central du champ de magnétisation, ait une longueur égale

à un multiple entier de demies longueurs d'onde. Dans ces condi-

tions si l'on projète opportunément les moyens d'accouplement au magnétron, la réactance totale couplée à la structure anodique est nulle, car cette onde tournante entre en résonance; dans ces conditions l'élément d'accord ne modifie pas la fréquence d'oscillation de la cavité anodique. Quand-on s'éloigne de cette condition, le mode qui était auparavant en résonance donne une contribution de type inductif (ou capacitif) si la magnétisation augmente, tandis qu'il donne une contribution de type capacitif (ou inductif) si la magnétisation diminue. L'impédance que voit le magnétron peut être, par conséquent, de type inductif ou de type capacitif, à la suite de quoi la fréquence de résonance du

magnétron se modifie en rapport avec la valeur de la magnéti-

sation de la ferrite.

La figure 5 montre une forme préférée de réalisation du dispositif d'accord dont le schéma de principe est illustré dans la figure 4 et l'on remarque à ce propos l'iris 1 de couplage à la cavité du magnétron. Lesdites transitions 5 et 6, ayant comme fonction de réaliser une adaptation d'impédance, sont

constituées par deux barrettes en matériel diélectrique appli-

quées à l'extrémité de l'élément de ferrite 2.

Dans ce cas le guide d'onde est obtenu en métallisant l'élément de ferrite 2, et une partie des barrettes de matériel diélectrique 5 et 6 (dans la figure la métallisation est indiquée

par un trait plus marqué). La métallisation est connectée élec-

triquement au corps du magnétron. On a indiqué dans la figure le

bobinage 3 ainsi que la terminaison réactive 4 qui, dans l'exem-

ple de la figure, est de type symétrique.

On a en outre illustré dans la figure la culasse 7, qui a pour but de renforcer la magnétisation résiduelle de la ferrite, comme cela est utile lorsqu'on veut piloter le système

d'accord en utilisant la technique "latching" adoptée habituel-

lement dans les déphaseurs à ferrite (voir Skolnik, cité ci-

dessus). Le circuit de refroidissement 8 et 9 a pour but d'éva-

cuer la chaleur qui se développe dans le dispositif d'accord.

Claims (6)

- REVENDICATIONS -

1. Dispositif pour l'accord électronique d'un magnétron de puissance comprenant un tronçon de guide d'onde contenant au moins un élément de ferrite partiellement magnétisée, des moyens aptes à varier la magnétisation de la ferrite, des moyens aptes à accoupler audit magnétron une extrémité du guide d'onde et au moins une terminaison réactive placée à l'autre extrémité dudit guide d'onde, caractérisé par le fait que ledit guide d'onde est le siège de deux ondes stationnaires circulant dans des sens opposés, ainsi que par le fait qu'une variation de la magnétisation de la ferrite provoque dans lesdites ondes des

variations de longueur d'onde de signe opposé.

2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend un premier coupleur directif (AD)

ayant un premier couple de portes (1 et 2) connectées respecti-

vement auxdits moyens de couplage (i) et à Line première termi-

naison réactive (TR3) et un deuxième couple de portes (3 et 4) connectées au premier couple de portes (3' et 4') d'un deuxième coupleur directif (AD2) à travers au moins un déphaseur non réciproque (SNR), le deuxième couple de portes (i' et 2') du deuxième coupleur directif (AD2) étant couplé respectivement à une deuxième et à une troisième terminaison réactive (TR1 et TR2), caractérisé enfin par le fait que ledit déphaseur non réciproque (SNR) introduit pour chaque onde des variations de

phase opposées.

il

3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comprend deux tronçons de guide d'onde (S1 et S2), placés côte à côte et présentant une paroi en commun, à l'intérieur d'au moins un desquels est situé un élément torique de ferrite (f) présentant à ses extrémités un élément adaptateur d'impédance (a), lesdits moyens (i) de couplage au magnétron, et respectivement la première terminaison réactive (TR3) étant présents à l'une des extrémités desdits tronçons de guide d'onde, la deuxième et la troisième terminaison réactive (TR1 et TR2) étant respectivement présents à l'autre extrémité lesdits tronçons de guides d'onde (S1 et S2) étant couplés au moyen de deux ouvertures présentes dans la paroi commune, lesquelles sont aptes à réaliser ledit premier et respectivement

ledit deuxième coupleur directif (AD1 et AD 2).

4. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il présente un axe de symétrie rotatif de 90 , par le fait qu'il présente, en séquence entre eux, lesdits

moyens de couplage (1) au magnétron, des premiers moyens d'adapta-

tion d'impédance (5), un élément en ferrite (2) magnétisé longi-

tudinalement, des deuxièmes moyens d'adaptation d'impédance (6) et une terminaison réactive (4), par le fait que lesdites ondes stationnaires, dans la partie de guide d'onde (2) occupée au

moins partiellement par la ferrite, sont deux modes contra-

rotatifs, ainsi que par le fait que lesdits moyens de couplage

(i)- permettent un échange énergétique entre le champ électro-

magnétique dans la zone anodique et le champ électromagnétique dans l'élément d'accord excitant directement dans ce dernier un

mode polarisé linéairement suivant un axe donné (y).

5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que les tronçons de guide compris entre les moyens

de couplage (1) et les premiers moyens d'adaptation (5), respec-

tivement entre les deuxièmes moyens d'adaptation (6), et la

terminaison réactive (4) sont tels qu'ils ne permettent la propa-

gation que du mode dominant et qu'ils ont une longueur telle

qu'ils atténuent fortement tous les modes supérieurs.

6. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que lesdits moyens d'adaptation d'impédance (5et 6) sont constitués par deux ou par plusieurs éléments en matériel diélectrique placés à chaque extrémité de l'élément en ferrite (2) ainsi que par le fait que ledit guide d'onde est constitué par une couche métallique déposée sur les éléments diélectriques (5 et 6) et sur l'élément en ferrite, la couche métallique étant connectée électriquement auxdits moyens de couplage (1).